扁电磁线导体直流电阻平衡性研究

白洋

[摘 要]近年来，扁电磁线导体直流电阻平衡性问题得到了业内的广泛关注，研究其相关课题有着重要意义。本文首先介绍了样品制备和分析方法，分析了原材料加工方式对电阻不平衡率的影响等电阻不平衡的原因，并结合相关实践经验，提出了包括导体截面尺寸偏差太大的解决方案，以及铜线坯电阻率不均匀的解决方案，希望有助于相关工作的实践。

[关键词]扁电磁线导体；直流电阻；平衡性；研究

中图分类号：TM245 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）14-0324-01

一、前言

随着扁电磁线导体应用要求的不断提高，研究其直流电阻平衡性问题至关重要。该项课题的研究，将会更好地提升对其直流电平衡性问题的掌控力度，从而通过合理化的措施对其应用效果进行掌控。

二、样品制备和分析方法

1.样品制备

目前风力发电机电磁线用绕包铜扁线的工艺流程如下：原材料加工成铜线坯→拉线→退火→绕包→成盘。

2.分析方法

电阻计算公式：R=ρL/S （1）

式中，R为电阻；ρ为导体材料的直流电阻率；L为导体的长度；S为导体的横截面积。

直流电阻不平衡率的计算公式：

电阻不平衡率=2（R20max-R20min）/（R20max+R20min）×100% （2）

式中，R20max和R20min分别为电磁线导体换算成20℃时的最大直流电阻值和最小直流电阻值。

导体电阻率不平衡率计算公式为：

电阻率不平衡率=2（ρ20max-ρ20min）/（ρ20max+ρ20min）×100% （3）

式中，ρ20max和ρ20min分别为电磁线导体换算成20℃时的最大直流电阻率和最小直流电阻率。

导体的最小截面积和最大截面积计算公式为：

Smin=amin×bmin-0.8584×r2max （4）

Smax=amax×bmax-0.8584×r2min （5）

式中，Smin、Smax分别为最小截面积和最大截面积；amin、amax分别为最小窄边和最大窄边；bmin、bmax分别为最小宽边和最大宽边；rmin、rmax分别为最小圆角和最大圆角。

三、电阻不平衡原因分析

1.原材料加工方式对电阻不平衡率的影响

由式（1）和式（3）可知，在同等长度和截面积的情况下，电阻的大小由电阻率决定，电阻不平衡率可用电阻率不平衡率表示。将各个厂家同一天生产的铜线坯视为同一批次，对连铸连轧法、上引法和浸涂成型法三种不同加工方法半年内生产的铜线坯的电阻率不平衡情况进行比较可知，三种加工方法生产的铜线坯的电阻率差异明显，即使同一种加工方法，电阻率在半年内也波动较大，在半年内不同批次之间，三种加工方式生产的铜线坯电阻率不平衡率均超过2%的标准要求，表明同一加工方法生产的不同批次之间的铜线坯混用时，会出现电阻不平衡率超标情况。将各个厂家不同批次的电阻率不平衡率情况分别比较，结果可知，同一加工方式的铜线坯，除个别批次之外，电阻率不平衡率基本都在2%的标准内。可见，不同的加工方式以及同一加工方式下的不同批次都会导致铜线坯电阻率不均匀，进而引起导体电阻的不平衡。

2.拉线工艺对电阻不平衡率的影响

拉线工艺影响着导线截面尺寸偏差。导线截面尺寸偏差会导致直流电阻不平衡率超标。由式（1）也可看出导线截面积的变化对导体电阻的影响。以3.55mm×10mm铜扁线为例，计算截面尺寸变化对电阻不平衡率的影响。GB/T7673.3—2008规定，截面尺寸偏差要求为：（3.55±0.05mm）×（10±0.07）mm，圆角半径r=0.8（1±25%）mm。

根据式（4）和式（5），可得Smin=33.90mm2，Smax=35.95mm2。取导体电阻率ρ20=0.017241Ω·mm2/m，其每米直流电阻分别为R20min=0.000479Ω，R20max=0.000508Ω。由式（2）算得电阻不平衡率为5.84%。

由此可见，在导体直流电阻率相同的情况下，由于导体截面尺寸的公差而造成的导体电阻不平衡率，最大可达5.84%，超过标准允许的电阻不平衡率值。

3.退火工艺对导体直流电阻不平衡率的影响

为研究退火工序对导体直流电阻的影响，对裸线退火前后的电阻不平衡情况进行比较。试验分别采用五组同规格裸线，每组三盘，对退火前后电阻不平衡情况进行比较。可知，退火前后电阻不平衡率变化偏差最大为0.24%。实验表明，退火工序对导体电阻率平衡性的影响很小。

综上所述，原材料加工方法、批次和拉线工艺对导体直流电阻的不平衡性影响较大，而退火过程对电阻不平衡性影响较小。铜线坯电阻率的不均匀和导体截面尺寸的偏差是造成扁电磁线导体直流电阻不平衡的主要原因。

四、解决方案

1.导体截面尺寸偏差太大的解决方案

扁电磁线导体的拉制方式有三种：模具法、挤压法和精轧法。在模具拉线法的拉制过程中，因模具与导体剧烈摩擦，模具定径尺寸不断增加，一个标模从最小尺寸到最大尺寸的拉制过程，也是导体尺寸在不断增大的过程，在微观上表现为导体呈一个锥体形状。所以，采用同一个模具拉制出来的产品，导体尺寸从标准最小尺寸过渡到标准最大尺寸，导体的电阻也随导体尺寸的增大而减小，从而导致导体的电阻不平衡率超标。若将同一批导体的尺寸公差范围缩小，则不可避免地增加了拉线模具的成本或造成不同批次之间产品的电阻不平衡率增大，因为目前拉丝模具都是手工修模，其尺寸的均匀性和圆角半径的控制都存在较大的不均匀性。同样在挤压生产方式中，也是通过挤压模具确定产品尺寸，也存在由于模具逐渐变大和圆角不均匀的问题。为了解决导体尺寸不均匀的问题，采用精密轧机对导体进行加工。

导体通过上下三个轧辊和左右两个轧辊的轧制，通过激光探测仪对成品尺寸进行追踪反馈，从而调整前面轧辊的开合，稳定导体尺寸。

2.铜线坯电阻率不均匀的解决方案

虽然通过以上方法可将同一厂家、同一批次铜线坯的电阻率不平衡率控制在一定范围内，但在电磁线交货周期长或合同批量大时，要确保批量铜线坯电阻率的平衡，相对来说难度比较大。本文采用导体尺寸补偿的方法来解决导体原材料电阻率不均匀性的问题，过程如下：

R平=ρ20平L/S平 （6）

R设=ρ20测L/S设 （7）

式中，R设、R平分别为设计电阻和平均电阻；ρ20平、ρ20测分别为换算为20℃时的平均电阻率和实测电阻率；S设、S平分别为导体设计截面积和导体平均截面积。

设导体的设计电阻值为半年铜线坯的平均值，即ρ20测L/S设=ρ20平L/S平，变换得：S设=S平×ρ20测/ρ20平（8）半年间连铸连轧铜线坯的电阻率平均值ρ20平=0.0168868Ω·mm2/m。精密轧机轧制导体圆角半径变化甚小，为简便计算，在此忽略不计，取导体标准尺寸计算导体平均截面积为S平=a×b=3.55×10=35.5mm2。测得进厂铜线坯直流电阻率ρ20测=0.016700Ω·mm2/m，由式（8）得S设=35.11mm2。

根据GB/T7673.3—2008规定，3.55mm×10mm线规截面尺寸偏差要求为（3.55±0.05）mm×（10±0.07）mm，则本文设计此批导体精密轧制尺寸为：

a=（3.53±0.01）mm，b=（9.95±0.015）mm。

通过导体尺寸的补偿设计，可以很好地解决由于原材料直流电阻率不均匀而造成的产品直流电阻不平衡率超标的问题。

五、结束语

通过对扁电磁线导体直流电阻平衡性的研究，我们可以发现，该项工作良好效果的取得，有赖于对其多项影响环节与要素的充分掌控，有关人员应该从变电磁线导体应用的客观实际出发，研究制定最为符合实际的应对实施策略。

参考文献：

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[2] 孙世录.导线对绕组直流电阻不平衡率的影响[J].变压器.2015（07）：25-27.

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